Schaltungsanordnung und Verfahren zur Erzeugung einer Wechselspannung aus mindestens einer Spannungsquelle mit zeitlich variabler Ausgangsgleichspannung

Abstract

 Die Anmeldung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Teilschaltungsanordnungen zur Speisung einer Wechselrichterschaltung. Hierbei besteht eine Teilschaltungsanordnung aus einer ungeregelten Spannungsquelle mit zeitlich variierender Ausgangsgleichspannung und einem Synchronwandler mit autonom arbeitender Regelschaltung. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Schaltungsanordnung weist zwei Betriebsarten auf. Die erste Betriebsart als Aufwärtswandler, falls der Wert der Ausgangsspannung der ungeregelten Spannungsquelle, einen Schwellenwert überschreitet und somit die Wechselrichterschaltung mit der notwendigen Eingangsspannung versorgt wird. Die zweite Betriebsart als Abwärtswandler, falls der Wert einer Ausgangsspannung der ungeregelten Spannungsquelle einen Schwellenwert unterschreitet oder keine Ausgangsspannung von der ungeregelten Spannungsquelle anliegt, wobei ein erster Kondensator aus der an zweiten Anschlüssen anliegenden Gleichspannung geladen wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung, sowie ein Verfahren zu deren Ansteuerung, zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Mehrzahl von ungeregelten Spannungsquellen mit zeitlich variabler Ausgangsgleichspannung. Als derartige ungeregelte Spannungsquellen sind Photovoltaikanlagen oder Teile dieser Anlagen bevorzugt. Unter einer Photovoltaikanlage soll hier ausschließlich die Anordnung und elektrische Verbindung einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen verstanden werden, Derartige Photovoltaikmodule sind zu Photovoltaikanlagen zusammengeschlossen und weisen eine bauartbedingte und von der Sonneneinstrahlung abhängige und somit zeitlich langsam variable Ausgangsgleichspannung auf.

[0002] Zu Einspeisung des Ausgangsstroms einer derartigen Photovoltaikanlage in das öffentliche oder ein lokales Stromnetz muss die Ausgangsgleichspannung, mittels einer Wechselrichterschaltung, in eine Wechselspannung konstanter Frequenz und Spannung umgewandelt werden.

[0003] Eine beispielhafte Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer derartigen Wechselspannung ist in der DE 10 2008 034 955 A1 beschrieben. Hier ist eine Stromrichteranordnung offenbart, die eine Photovoltaikanlage mit zeitlich variierender Ausgangsspannung, einen Pegelwandler und einen Wechselrichter aufweist. In dem zugehörigen Verfahren wird der erste und zweite Kondensator des Pegelwandlers unabhängig von der Eingangsspannung mit jeweils dem halben Wert der Sollzwischenkreisspannung geladen.

[0004] Für derartige Schaltungsanordnungen gibt es eine Vielzahl vom Anwendungsfall abhängiger und sich teilweise widerstrebender Anforderungen. Beispielhaft soll die Eingangsspannung an der Wechselrichterschaltung möglichst konstant sein, wie auch die Übertragung von der Photovoltaikanlage zur Wechselrichterschaltung mit möglichst hoher Spannung erfolgen soll, um Leitungsverluste klein zu halten. Ebenso soll die gesamte Schaltungsanordnung mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten. Gleichzeitig sollte die Photovoltaikanlage, bzw. deren Photovoltaikmodule, derart betrieben werden, dass sie im Punkt der höchsten Leistungsabgabe (MPP - maximum power point) arbeitet. Hierzu ist eine geeignete Regelung, das sog. MPP- Tracking, erforderlich.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung mit mindestens einer Teilschaltungsanordnung mit Aufwärtswandlerfunktion, die eine speisende ungeregelte Spannungsquelle aufweist, und ein Verfahren zu deren Ansteuerung vorzustellen wobei die Teilschaltungsanordnung bei Erreichen eines Schwellenwerts der Ausgangsspannung der ungeregelten Spannungsquelle ohne Schaltbefehl einer übergeordneten Steuerlogik selbständig die Aufwärtswandlerfunktion aktiviert.

[0006] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0007] Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist eine oder eine Mehrzahl parallel geschalteter Teilschaltungsanordnungen zur Speisung mindestens einer Wechselrichterschaltung, die mit einem zugeordneten Stromnetz verbindbar ist. Hierbei besteht jede Teilschaltungsanordnung aus einer ungeregelten Spannungsquelle mit zeitlich variierender Ausgangsgleichspannung, einem Synchronwandler (buck- boostinverter) mit einem ersten Kondensator geschaltet zwischen ersten Anschlüssen einer Schaltstufe und einer Reihenschaltung zweiter Kondensatoren an deren zweiten Anschlüssen, einer Gleichspannungsquelle und einer Regelschaltung zur Ansteuerung des Synchronwandlers.

[0008] Weiterhin ist in mindestens einer Zuleitung zwischen dem ersten Kondensator und den ersten Anschlüssen der Schaltstufe des Synchronwandlers noch mindestens eine Spule vorgesehen. Die Gleichspannungsquelle dient der Versorgung der Regelschaltung und wird vorzugsweise selbst aus dem ersten oder einem der beiden zweiten Kondensatoren versorgt, wozu diese geeignet mit der Gleichspannungsquelle verbunden sind. Alternativ und für eine der Betriebssicherheit dienenden redundanten Ausgestaltung weist diese Gleichspannungsquelle zwei Gleichspannungsteilquellen auf, die zu ihrer jeweiligen Versorgung mit dem ersten bzw. einem der zweiten Kondensatoren verbunden sind.

[0009] Die Regelschaltung ihrerseits weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Messeinrichtungen zur Messung der Spannung und des Stroms am Ausgang der ungeregelten Spannungsquelle, des Stromes an den ersten Anschlüssen der Schaltstufe des Synchronwandlers und zur Messung der Spannung an den zweiten Kondensatoren und somit der Ausgangsspannung der Teilschaltungsanordnung auf.

[0010] Die Schaltstufe des Synchronwandlers der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht vorteilhafterweise aus mindestens einer Wandlerstufe, die ihrerseits aus einer Reihenschaltung von vier Leistungstransistoren mit jeweils antiparallel geschalteter Diode besteht. Hierbei ist der erste Leistungstransistor mit dem zweiten Anschluss positiver Polarität verbunden, der Mittelpunkt zwischen ersten und zweiten Transistor ist mit dem ersten Anschluss positiver Polarität verbunden, der Mittelpunkt zwischen dritten und viertem Transistor ist mit dem ersten Anschluss negativer Polarität verbunden und der vierte Transistor ist mit dem zweiten Anschluss negativer Polarität verbunden. Ebenso ist es bevorzugt, wenn der Mittelpunkt zwischen zweitem und drittem Transistor mit dem Mittelpunkt der Reihenschaltung der zweiten Kondensatoren verbunden ist.

[0011] Als Wechselrichterschaltung sind grundsätzlich verschiedene Ausgestaltungen, vorzugsweise als Drei- Phasen- Wechselrichter vorsehbar. Besonders vorteilhaft ist es zwei Drei- Phasen- Wechselrichter parallel anzuordnen und um eine halbe Schaltperiode versetzten anzusteuern. Hierdurch ergibt sich ein vorteilhafter annährend sinusförmiger Strom- und Spannungsverlauf am Ausgang der Wechselrichterschaltung, die ihrerseits entweder direkt oder mittels eines Transformators mit dem Stromnetz verbindbar ist.

[0012] Das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung einer derartigen Schaltungsanordnung weist pro Teilschaltungsanordnung, neben dem Stand-by Zustand, in dem nur Überwachungsfunktionen aktiv sind, zwei weitere alternative Betriebsarten auf, deren jeweilige Funktion von einem Schwellenwert der Ausgangsspannung der ungeregelten Spannungsquelle des jeweiligen Teilzweiges abhängt.

[0013] Liegt der Wert der Ausgangsspannung der ungeregelten Spannungsquelle oberhalb dieses Schwellenwerts wird der Synchronwandler als Aufwärtswandler betrieben und lädt somit die zweiten Kondensatoren und legt einen, vorzugsweise bereits in der Ansteuerschaltung hinterlegten vordefinierten, Sollwert an die Ausgänge des Synchronwandlers an. Eine Mehrzahl gleichartiger Teilschaltungsanordnungen kann somit parallel geschaltet werden, da alle aktiven Teilschaltungen die gleiche Ausgangsspannung aufweisen, ohne dass ein übergeordnet Steuerlogik hierauf notwendigerweise direkt und fortlaufen Einfluss nimmt.

[0014] Liegt der Wert der Ausgangsspannung der ungeregelten Spannungsquelle unterhalb dieses Schwellenwerts und ist der erste Kondensator nicht annährend vollständig geladen wird der Synchronwandler als Abwärtswandler betrieben und lädt somit den ersten Kondensator beispielhaft aus dem Stromnetz. Hierzu liefert der Wechselrichter eine Gleichspannung an den zweiten Anschlüssen der Schaltstufe des Synchronwandlers, der hieraus im Abwärtswandlerbetrieb die notwendige Spannung an den ersten Kondensator anlegt.

[0015] Aus der zweitgenannten Betriebsart, oder auch aus dem Stand-by Zustand mit geladenem ersten Kondensator, schaltet die Ansteuerschaltung den Synchronwandler unmittelbar in die erstgenannte Betriebsart sobald der Schwellenwert überschritten wird. Dieses Umschalten kann autonom erfolgen, da die notwendigen Messeinrichtungen zur Messung der Spannung und des Stromes der ungeregelten Spannungsquelle durch die aus der Gleichspannungsquelle gespeisten Ansteuerschaltung jederzeit möglich ist.

[0016] Die Gleichspannungsquelle ihrerseits wird hierzu kontinuierlich oder diskontinuierlich mittels des ersten und / oder eines zweiten Kondensators geladen und kann somit die Ansteuerschaltung des Synchronwandlers jederzeit versorgen. Zusätzlich kann, falls die ungeregelte Spannungsquelle eine Photovoltaikanlage ist, die Ansteuerschaltung das MPP- Tracking dieser Photovoltaikanlage ausführen.

[0017] Die erfinderische Lösung wird an Hand der Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 3 weiter erläutert.

[0018] Fig. 1 zeigt das Grundprinzip einer ersten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

[0019] Fig. 2 zeigt wesentliche Komponenten einer zweiten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

[0020] Fig. 3 zeigt einige Komponenten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 in weiteren Details.

[0021] Fig. 1 zeigt das Grundprinzip einer ersten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Hierzu ist eine Mehrzahl von Teilschaltungsanordnungen (1) dargestellt, die ihrerseits aus einer ungeregelten Spannungsquelle (2) hier einer Photovoltaikanlage und einem Synchronwandler (4), der auch als buck- boost- inverter bekannt ist, dargestellt. Die Photovoltaikanlage (2) ihrerseits besteht aus einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen und weist eine typische, selbstverständlich von der Sonneneinstrahlung abhängige, Ausgangsspannung zwischen einigen hundert bis annährend tausend Volt auf.

[0022] Der mit der Photovoltaikanlage (2) verbundene Synchronwandler (4) hat die primäre Aufgabe die variable Ausgangsspannung der Photovoltaikanlage (2) derart zu erhöhen, dass eine mit dem Synchronwandler (4) verbundene Wechselrichterschaltung (9) eine mit der Ausgangsspannung gleiche Eingangsspannung aufweist, die einen mögliches effizient Betrieb dieser Wechselrichterschaltung (9) gestattet. Die Wechselrichterschaltung (9) selbst ist gemäß dem Stand der Technik ausgestaltet, hier als Parallelschaltung zweier Drei- Phasen Wechselrichter mit geerdetem Mittelpunkt. Diese Ausgestaltung ist nur beispielhaft und nicht beschränkend auf diese Ausführungsform. Weiterhin ist die Wechselrichterschaltung üblicherweise mittels eines geeigneten Transformators (92) mit dem zu speisenden Stromnetz (90) verbunden.

[0023] Vorteilhafterweise sind hier eine Mehrzahl von Teilschaltungsanordnungen (1) zu einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung parallel miteinander verschaltet. Wesentlich ist hierbei selbstverständlich, dass die Synchronwandler (4) der Teilschaltungsanordnungen (1) auch bei unterschiedlicher Spannung der sie versorgenden Photovoltaikanlagen (2) jeweils die gleiche Ausgangsspannung zur Verfügung stellen.

[0024] Fig. 2 zeigt wesentliche Komponenten einer zweiten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Dargestellt ist analog zu Fig. 1 wiederum eine Photovoltaikanlage (2) als ungeregelte Spannungsquelle, die mit einem Synchronwandler (4), seinerseits bestehend aus eine ersten Kondensator (30), einer Spule (32), einer Schaltstufe (40) und einer Reihenschaltung zweiter Kondensatoren (50), verbunden ist. Zwischen den ersten Anschüssen (42) der Schaltstufe (40), und somit mit den Ausgängen der Photovoltaikanlage (2) verbunden ist der erste Kondensator (30) geschaltet. Zwischen diesem ersten Kondensator (30) und einem der ersten Anschlüsse (42) der Schaltstufe (40) hier demjenigen mit positivem Potential ist die Spule (32) vorgesehen. Der Ausgang des Synchronwandlers (4) ist mit einer Wechselrichterschaltung (9) verbunden, die ihrerseits mit dem zu speisenden Stromnetz (90) verbunden ist.

[0025] Weiterhin dargestellt ist eine Regelschaltung (7) zur autonomen Ansteuerung des Synchronwandlers (4). Diese Regelschaltung (7) weist hierzu erste Messeinrichtungen (70) zur Messung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Photovoltaikanlage (2), ebenso wie zweite Messeinrichtungen (74) zur Bestimmung der Spannung an den zweiten Kondensatoren (50), auf.

[0026] Zur Energieversorgung dieser Regelschaltung (7) ist eine Gleichspannungsquelle (6) vorgesehen, die entweder aus dem ersten (30) oder einem der zweiten Kondensatoren (50) gespeist wird. Zur Versorgung der Gleichspannungsquelle (6) aus dem ersten Kondensator (30) kann der Synchronwandler (4) im Abwärtswandlerbetrieb arbeiten und somit die Spannung der Verbindungsleitung zur Wechselrichterschaltung (9), die an den zweiten Anschlüssen (44) anliegt und die mittels der Wechselrichterschaltung (9) im Gleichrichterbetrieb aus dem Stromnetz (90) gespeist sein kann, auf den erlaubten Spannungswert des ersten Kondensators (30) reduzieren. Es ist allerdings besonders bevorzugt, wie hier dargestellt, wenn die Gleichspannungsquelle (6) redundant mit zwei Gleichspannungsteilquellen (60, 62) ausgebildet ist und die jeweiligen Gleichspannungsteilquellen (60, 62) auf jeweils eine der beschriebenen Weisen gespeist wird.

[0027] Besonders vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist, dass diese nicht notwendigerweise eine Verbindung zu einer übergeordneten, nicht dargestellten, Steuerlogik benötigt, da sie autonom arbeiten kann. Dies bedeutet, dass die Photovoltaikanlage (2) von der, aus der Gleichspannungsquelle (6) gespeisten, Regelschaltung (7) überwacht wird und bei ausreichender Spannung an den Ausgängen der Photovoltaikanlage (2) der Synchronwandler (4) in den Aufwärtswandlerbetrieb geht und die notwendige Ausgangsspannung zur Verfügung stellt.

[0028] Fig. 3 zeigt einige Komponenten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 in weiteren Details. Dargestellt ist hier der Synchronwandler (4) ausgebildet mit einer Schaltstufe (40) mit drei identischen parallel geschalteten Wandlerstufen (400). Die jeweilige Wandlerstufe (400) besteht aus einer Reihenschaltung von vier Leistungstransistoren (402, 412, 422, 432) mit jeweils antiparallel geschalteter Diode (404, 414, 424, 434). Hierbei ist jeweils der erste Leistungstransistor (402) mit dem zweiten Anschluss (44a) positiver Polarität der Schaltstufe verbunden ist, der Mittelpunkt zwischen jeweiligem ersten (402) und zweiten Transistor (412) ist mit einem ersten Anschluss (42a) positiver Polarität verbunden, der Mittelpunkt zwischen jeweiligem dritten (422) und viertem Transistor (432) ist mit einem ersten Anschluss (42b) negativer Polarität verbunden und der vierte Transistor (432) ist mit dem zweiten Anschluss (44b) negativer Polarität verbunden.

[0029] Die drei ersten Anschlüsse (42 a/b) positiver und negativer Polarität der Schaltstufe (40) sind hierbei den drei Wandlerstufen (400) zugeordnet und weisen jeweils eine eigene Spule (32, 34) auf. Üblicherweise weisen diese jeweiligen Spulen (32, 34) einen eigenen Kern auf, es kann allerdings um Kopplungseffekte zu erzielen auch bevorzugt sein die den jeweiligen Polaritäten zugeordneten Spulen (32 ,34) auf einem gemeinsamen Kern vorzusehen.

[0030] Die beiden zweiten Anschlüsse (44 a/b) der Schaltstufe (40) sind mit der Parallelschaltung der zweiten Kondensatoren (50 a/b) verbunden, wobei der Mittelpunkt dieser Parallelschaltung mit den Mittelpunkten der jeweiligen Wandlerstufen (400) verbunden ist.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung mit einer oder einer Mehrzahl parallel geschalteter Teilschaltungsanordnungen (1) zur Speisung mindestens einer Wechselrichterschaltung (9), die mit einem Stromnetz (90) verbindbar ist, wobei eine Teilschaltungsanordnung (1) besteht aus einer ungeregelten Spannungsquelle (2) mit zeitlich variierender Ausgangsgleichspannung, einem Synchronwandler (4) mit einem ersten Kondensator (30) geschaltet zwischen den ersten Anschlüssen (42 a/b) einer Schaltstufe (40) des Synchronwandlers und einer Reihenschaltung zweiter Kondensatoren (50 a/b) an deren zweiten Anschlüssen (44 a/b), wobei in mindestens einer Zuleitung zwischen dem ersten Kondensator (30) und den ersten Anschlüssen (42 a/b) noch mindestens eine Spule (32, 34) vorgesehen ist, mit einer Gleichspannungsquelle (6) zur Versorgung einer Regelschaltung (7) zur Ansteuerung des Synchronwandlers (4) mit einer Mehrzahl von Messeinrichtungen (70, 74).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei
die Schaltstufe (40) des Synchronwandlers aus mindestens einer Wandlerstufe (400) besteht, die ihrerseits aus einer Reihenschaltung von vier Leistungstransistoren (402, 412, 422, 432) mit jeweils antiparallel geschalteter Diode (404, 414, 424, 434) besteht, wobei der erste Leistungstransistor (402) mit einem zweiten Anschluss (44a) positiver Polarität verbunden ist, der Mittelpunkt zwischen ersten (402) und zweiten Leistungstransistor (412) mit einem ersten Anschluss (42a) positiver Polarität verbunden ist, der Mittelpunkt zwischen dritten (422) und vierten Leistungstransistor (432) mit dem ersten Anschluss (42b) negativer Polarität verbunden ist und der vierte Leistungstransistor (432) mit dem zweiten Anschluss (44b) negativer Polarität verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei
bei einer Mehrzahl von Wandlerstufen (400) die zugeordneten Spulen jeweils auf einem eigenen Kern, oder gekoppelt auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei
der Mittelpunkt zwischen zweitem (412) und drittem Leistungstransistor (422) mit dem Mittelpunkt der Reihenschaltung der zweiten Kondensatoren (50 a/b) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei
die Gleichspannungsquelle (6) zu ihrer Versorgung mit dem ersten (30) oder einem der beiden zweiten Kondensatoren (50 a/b) verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei
die Gleichspannungsquelle (6) redundant (60, 62) ausgeführt ist und zu ihrer Versorgung und mit dem ersten (30) und einem der zweiten Kondensatoren (50 a/b) verbunden ist.

7. Verfahren zur Ansteuerung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Synchronwandler (4) der mindestens eine Teilschaltungsanordnung (1) mindestens zwei Betriebsarten aufweist,
eine erste Betriebsart als Aufwärtswandler, wenn der Wert der Ausgangsspannung der ungeregelten Spannungsquelle (2), einen Schwellenwert überschreitet und somit die Wechselrichterschaltung (9) mit der notwendigen Eingangsspannung versorgt wird, und
eine zweite Betriebsart als Abwärtswandler, wenn der Wert einer Ausgangsspannung der ungeregelten Spannungsquelle (2) einen Schwellenwert unterschreitet oder keine Ausgangsspannung von der ungeregelten Spannungsquelle (2) anliegt, wobei der erste Kondensator (30) aus der an den zweiten Anschlüssen (44 a/b) anliegenden Gleichspannung geladen wird und
wobei die Gleichspannungsquelle (6) in beiden Betriebsarten mittels des ersten (30) und / oder einem zweiten Kondensator (50 a/b) geladen wird und ihrerseits die Regelschaltung (7) des Synchronwandlers (4) versorgt und somit der Synchronwandler (4) bei erreichen des Schwellenwertes autonom und unmittelbar von der zweiten in die erste Betriebsart umschaltet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei
zur Regelung der Betriebsart des Synchronwandlers (4) mittels der Messeinrichtungen (70, 74) die Spannung und der Strom am Ausgang der ungeregelten Spannungsquelle (2) und die jeweilige Spannung an mindestens einem der beiden zweiten Kondensatoren (50 a/b) gemessen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei
die Regelschaltung (7) zusätzlich das MPP- Tracking einer als Photovoltaikanlage ausgestalteten ungeregelten Spannungsquelle regelt.

Zeichnung